Современная космонавтика: Современная космонавтика: ответы на главные вопросы

Современная космонавтика: ответы на главные вопросы

Современная космонавтика: ответы на главные вопросы

Миллиардеры запускают ракеты для межпланетных путешествий, а государства тратят огромные деньги на космические программы. Когда же мы полетим на Марс?

Вопрос №1

Много ли людей было в космосе?

Исследования космоса — достойнейшее занятие. Первый космонавт в мире Юрий Гагарин совершил полет вокруг земной орбиты 12 апреля 1961 года — когда Великобритания еще оставляла за собой право на колонии.

С тех пор в космическом пространстве побывали более 550 человек. Почему нет точного числа? Потому что нет единого мнения о том, на каком расстоянии от планеты находится «открытый космос». Из этих 550 человек — только 10 женщин (ответственность за это во многом лежит на плечах НАСА и Роскосмоса).

Вопрос №2

Где именно мы побывали?

Советский Союз стал пионером в покорении космоса, а Джон Ф. Кеннеди пообещал, что первые шаги на Луне сделает именно американский космонавт. 20 июля 1969 года на серый лунный грунт прилунился «Аполлон-11».

В следующие несколько лет на Луне побывали еще 12 человек, но с 1972 года нога человека не ступала ни на Луну, ни куда-либо еще за пределами Земли.

Наше воображение рисует отважных астронавтов среди лунных кратеров, однако почти все космонавты в истории космонавтики не выходят за пределы низкой околоземной орбиты (160–2000 км над поверхностью планеты).

Именно здесь находятся телекоммуникационные спутники и орбитальные станции.

Вопрос №3

Чем мы занимаемся в космосе?

Вопрос №4

Что происходит с телом в космосе?

Много чего, и пока мы не узнаем точных последствий воздействия невесомости на человеческое тело, мы не можем послать людей в более отдаленные места (на Марс или на астероиды).

Бывший пилот и астронавт НАСА Скотт Келли провел год в капсулах МКС для экспериментального изучения воздействия невесомости на человеческий организм. Но рекорд по пребыванию в космосе принадлежит российскому космонавту — Геннадий Падалка провёл в космосе 878 дней!

Если коротко — Скотт оказался примерно в такой же физической форме, что и брат, не считая некоторых проблем со зрением. В целом это хорошие новости для будущих космических миссий.

Вопрос №5

В каких странах реализуются программы пилотируемых космических полётов?

Россия, Китай и США — единственные страны с такими возможностями. Космические программы с участием человека — дорогое удовольствие, которое могут себе позволить далеко не все государства.

Тем не менее в космосе смогли побывать не только космонавты, но и индивидуальные путешественники из 40 стран, в том числе член королевской семьи Саудовской Аравии (а некоторые из путешественников даже заплатили за полет, например южноафриканский молодой миллионер Марк Шаттлворт).

Вопрос №6

В какую сумму обходится запуск шаттла?

Вопрос №7

Стоит ли тратить такие деньги на полеты в космос?

Хороший вопрос. К сожалению, космические агентства не всегда как следует информируют общественность о своих достижениях, а ведь от полетов в космос выиграли очень многие индустрии.

Ученые разрабатывают новые системы жизнедеятельности. Бортовые компьютеры стали предвестниками микрочипов, которые сегодня есть в каждом смартфоне. Пожарные получили униформу с большей степенью огнеупорности. Отслеживание состояния здоровья космонавтов привело к популярности подобных систем и на Земле. Исследование возбудителей различных заболеваний в состоянии невесомости помогает ученым находить новые способы лечения.

Еще есть мнение, что космические полеты привлекают дополнительные вливания в экономику: побочные компании космической индустрии вместе с индустрией коммерческих космических полетов окупают стоимость миссий в 7–14 раз.

Вопрос №8

Насколько плотно сотрудничают страны при освоении космоса?

Первая космическая гонка была частью холодной войны, но после ее окончания исследование космоса перестало быть соперничеством и превратилось в международное сотрудничество. МКС — яркий пример такого сотрудничества между пятью космическими агентствами (НАСА, Роскосмос, Японское агентство аэрокосмических исследований, Европейское космическое агентство и Канадское космическое агентство). Проект зрел 13 лет (начиная с 1998-го), в течение которых станция обрастала капсулами, как конструктор Lego.

Китай гнет свою линию в освоении космоса: на борту МКС не побывало ни одного китайского астронавта. В 2006 году Пекин испытывал лазеры к американским спутникам для нанесения им повреждений, после чего США наложили вето на сотрудничество между НАСА и Китайским космическим агентством.

Тем не менее будущее освоения космоса зависит от способности стран к сотрудничеству, а не к противодействию. С 2011 года национальные космические агентства 14 стран пытаются объединить свои взгляды и составить единый план действий для «освоения пространства Солнечной системы, в частности Марса».

Вопрос №9

Так мы уже почти на Марсе?

Пока нет. Перед Марсом хорошо бы вернуться на Луну.

Профессор планетарных наук и астробиологии Лондонского университета Ян Кроуфорд считает это

«… вполне логичным шагом».

«Я обеими руками за освоение Марса, но нам всё еще не хватает технологий, компетенций и опыта».

В возвращении на Луну есть несколько преимуществ: до нее всего три дня пути (в отличие от путешествия до Марса длиной в несколько месяцев), и на ней можно основать научно-исследовательскую станцию по образу земных антарктических.

На лунной экспериментальной площадке можно изучить воздействие радиации и лунной гравитации на организм человека перед тем, как отправляться в дальнее путешествие.

Вопрос №10

И когда на Луну?

Не всё сразу. Дорожная карта космических исследований НАСА предполагает строительство орбитальной базы, с которой космонавты будут летать до Луны и обратно. База будет сконструирована по образу и подобию МКС, только находиться она будет не на земной, а на лунной орбите.

Вопрос №11

Каковы шансы попасть на Марс?

Скорее всего, это произойдет нескоро.

Генри Херцфелд, директор Института политики освоения космоса в Университете Джорджа Вашингтона, говорит: «Наш путь в космосе определяется не только желаниями человечества, но и ограничениями реального мира, и бюджетом. Мы уже очень давно хотим попасть на Марс, но в любом серьезном документе по стратегическому планированию космических программ освоению Марса отводятся крайне долгие и неконкретные сроки. Нам до сих пор не хватает технологий, которые позволили бы человеку долгое время находиться в далеком космосе».

Вопрос №12

Что происходит в космонавтике?

На арену выходит новый игрок — Китай.

В 2003 году Китай стал третьей страной в мире, выпустившей на орбиту своего космонавта, а в 2022-м то же самое планирует сделать Индия.

Но главным двигателем изменений, безусловно, становится коммерческий сектор. Миллиардеры Илон Маск, Джефф Безос и Ричард Брэнсон работают над проектами по индивидуальным полетам в космос. Компании этих предпринимателей (SpaceX, Blue Origin и Virgin Galactic) нацелены на удешевление полетов и увеличение их доступности.

Такие организации встают в один ряд с другими коммерческими компаниями, которые уже работают в качестве подрядчиков на национальные космические агентства. Титаны аэрокосмической индустрии Boeing и Lockheed Martin посылают тяжелые ракеты-носители в космос, но это обходится им в 350 млн долларов за каждый запуск, в несколько раз дороже, чем система Falcon (запуск которой стоит 90 млн долларов).

В SpaceX уже забронированы запуски на общую сумму в 10 млрд долларов. Секрет удешевления полетов — многоразовый космический корабль, в котором даже стартовые реактивные двигатели могут использоваться повторно.

Вопрос №13

Что дальше?

Пока национальные агентства называют приоритетным направлением Луну, бизнес засматривается на Марс. Маск считает делом своей жизни создание колонии на Марсе, которая может спасти человечество от глобальной катастрофы на родной планете.

Для этого SpaceX разрабатывает пилотируемую ракету Big Falcon Rocket (BFR), с помощью которой можно уже к середине 2020-х годов доставить на Марс первую команду астронавтов.

Уже совсем взрослая: что успела сделать мировая космонавтика | Статьи

Вот уже более 60 лет прошло с момента запуска в космос первого спутника, 58 лет — с момента полета Юрия Гагарина. Мы привыкли жить в мире, где регулярно проходят запуски ракет, а на орбите постоянно работает Международная космическая станция. Чего за это время человечеству удалось добиться в освоении космоса и что до сих пор остается недосягаемой мечтой — читайте в материале «Известий».

Рассматривать проекты, о которых мечтали, но которые оказались физически нереализуемы, смысла нет. Мечталось о многом — межзвездных перелетах, фотонных двигателях и космических лифтах. Увы, на нынешнем уровне науки и техники они невозможны, а потому и вносить их в наш обзор успехов и неудач не стоит.

Вопрос денег

Сразу стоит начать с плохого, с того, что от космонавтики ждали, но получить не удалось. Почему не удалось? Понятно, что всему виной завышенные ожидания и не оправдавшиеся идеи, а не финансовые затраты. По сей день государства тратят на развитие космонавтики менее 1% ВВП. В эпоху лунной гонки, когда для США отправка астронавтов на Луну была главным приоритетом, ежегодные расходы приближались к 1%, но то был лишь короткий период, длившийся всего несколько лет.

Уже в момент старта работ над программой космического челнока «Шаттл» началось уменьшение расходов на космонавтику, что во многом и предопределило судьбу этого проекта. Правительства, да и мы сами, налогоплательщики, неготовые тратить большие средства на развитие космонавтики, — во многом и есть та самая причина провала большинства грандиозных ожиданий.

Фото: NASA

1967 год, Аполлон 12, астронавт Алан Бин спускается по лунному модулю

Именно из-за недостаточности выделяемых ресурсов до сих пор люди не высадились на Марсе. Эта экспедиция предполагает финансирование, которого сейчас ни у одной из государственных космических организаций просто нет. Кроме прочего, такой полет требует многократной перестраховки, ведь в случае гибели космонавтов во время полета к Марсу общественность вообще может надолго охладеть к космической теме. А это значит — прощай, финансирование.

В результате для пилотируемых полетов к другим планетам не хватает как ресурсов, так и политической воли. Технически такую экспедицию человечество уже могло бы реализовать. Вопрос исключительно в готовности выделить огромную сумму на разработку и быть готовым к очень большим рискам. При этом возможные «дивиденды» от полета к Марсу не очень велики. Да, это еще одна зарубка для человечества, возможность привезти большое количество образцов. И всё. Бизнес-перспектив у межпланетного полета пока не предвидится, а с разведкой неплохо справляются и беспилотные космические аппараты.

космос_2

Три поколения марсоходов, разработанных в лаборатории НАСА

Фото: NASA/JPL-Caltech

Сюда же можно отнести и идеи создания различных производств на орбите. Технологии есть, не хватает финансирования. И его не будет, пока такой проект не станет экономически выгоден в обозримой перспективе. Увы, пока всё это настолько далеко от реальных денег, что и вкладываться в такие проекты инвесторы, как государственные, так и частные, не спешат.

Сюда же можно отнести и проекты по доставке астероидов к Земле для их последующей переработки. Пока на Земле добывать дешевле и проще, такие прекрасные мечты так и будут оставаться мечтами. Отдельно стоит упомянуть, что вряд-ли кто-то из правительств или мегакорпораций с энтузиазмом отнесется к идее о доставке на Землю огромного объема инопланетных ресурсов, способного обрушить рынки.

Время для гордости

Тогда что же удалось мировой космонавтике? Если не присматриваться, то может даже показаться, что очень мало. Летают практически те же ракеты, что и в первые десятилетия, запускают космические аппараты. Где же тут прогресс и достижения?

На самом деле разница огромна, и самый незаметный, хотя и самый важный пункт — это общая безопасность запусков и их надежность. Еще в 80-е годы прошлого века, если посмотреть статистику, едва ли не каждый десятый запуск заканчивался неудачно.

Причем проблемы преследовали создателей на всех этапах — аварии ракет-носителей, неудачные выводы на орбиту, отказ самих космических аппаратов. Можно сказать, что приходилось «брать количеством».

Если же посмотреть актуальную статистику запусков, то можно увидеть, что за 2018 год было запущено всеми странами 114 ракет-носителей и всего два запуска из этого числа оказались аварийными: тестовый запуск китайской частной твердотопливной ракеты Zhuque-1 и российского «Союза-ФГ» с пилотируемой миссией, где идеально отработала система спасения, позволившая сохранить космонавтам жизнь. На долю неудачных запусков приходится меньше 2%, и это серьезнейший рывок вперед.

космос_2

Старт ракеты-носителя «Союз-ФГ» с пилотируемым кораблем «Союз МС-12» со стартового стола первой, «Гагаринской», стартовой площадки космодрома Байконур

Фото: РИА Новости/Сергей Мамонтов

Вторым важным достижением можно считать увеличение сроков работы большинства космических аппаратов параллельно с многократным усложнением конструкции. Можно сравнить первые изображения самых удаленных от Земли планет Солнечной системы, полученные учеными с космических аппаратов, и современные изображения, передаваемые, например, космическим аппаратом «Новые горизонты».

Вопреки часто тиражируемому мнению спутники не сильно уменьшились по сравнению с прошлым веком, но вот работать они научились гораздо лучше, получили множество дополнительных функций. Маленькие спутники, впрочем, появились тоже — «кубсаты» дали импульс к развитию «дешевых» космических программ, доступных не самым богатым странам и даже отдельным университетам.

Длительная непрерывная работа орбитальной станции — это тоже очень серьезный опыт. Примерно как быть руководителем предприятия неделю и 10 лет. За неделю вы вряд ли успеете наделать серьезных ошибок, даже если совсем не разбираетесь в вопросе. А вот если вы руководите компанией уже десятилетие и делаете это на высоком уровне, то это уже достижение. Мировой космонавтике сейчас и нужен именно такой опыт, пусть не очень заметный, но чрезвычайно полезный для будущих поколений.

Если хочется более показательных достижений, то их тоже много. Некоторые примеры:

— Мировая космонавтика запустила космический корабль, покинувший пределы Солнечной системы. 12 сентября 2013 года НАСА подтвердило, что «Вояджер-1» вышел за пределы гелиосферы в межзвездное пространство.

— Удалось не только научиться возвращать на Землю первые ступени ракет-носителей, но и сделать это практически рутинным процессом. Да, речь как раз идет о компании SpaceX и возвращаемых ступенях ракеты-носителя Falcon 9.

— Удалось отправить миссию к комете и совершить на нее посадку. Миссия космического аппарата «Розетта» со спускаемым модулем «Филы» продолжалась 12,5 года и закончилась успешно.

Фото: SpaceX

Посадка Falcon 9

Таких отдельных миссий очень и очень много. С каждым следующим запуском специалисты пытаются сделать чуть больше, улучшить предыдущее достижение. Со стороны кажется, что ничего особенного не происходит, а на самом деле мировая космонавтика движется вперед, пусть и маленькими, практически незаметными со стороны шажками.

Да, это не похоже на рекорды первых лет космонавтики и «лунную гонку», закончившуюся невероятной победой всего человечества — высадкой на Луне. Сейчас развитие стало более плавным, космонавтика чуть более рутинной, еще десяток лет — и об отдельных запусках практически перестанут рассказывать по телевизору. Просто их будет совершаться по 1–2 ежедневно.

С превышением

Более того, есть даже позиции, о которых на заре космонавтики никто не думал, но они «внезапно» реализовались. Речь идет о навигационных системах GPS, ГЛОНАСС или мобильной связи Iridium, работающих по всему земному шару. До недавнего времени спутники работали гораздо меньше по времени и одновременный вывод большого количества космических аппаратов, а затем поддержание работоспособности этой группировки был практически фантастикой.

В настоящий момент началась реализация двух спутниковых группировок OneWeb и Starlink, которые будут состоять из нескольких сотен космических аппаратов и смогут обеспечить спутниковый широкополосный интернет по всей Земле. Еще в 1990-е годы подобные проекты считались научной фантастикой, сейчас же это реальность.

космос_2

Масштабная модель спутника Airbus OneWeb

Фото: REUTERS/Regis Duvignau

И в этом проекте четко видно пришедшую в космонавтику глобализацию. Российские ракеты «Союз» со спутниками британской группировки OneWeb, сделанными на предприятиях европейского гиганта Airbus, стартуют с космодрома в Новой Гвиане, что в Южной Америке. И скорее всего, год за годом примеров такой глубокой кооперации предприятий по всему миру будет всё больше.

Мировая космонавтика развивается, пусть и не всегда так, как это задумывалось. Однако она идет вперед, ставит новые цели и выполняет их. Всё-таки что 58 лет, что 62 года — немало.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Советская «Семерка», современная космонавтика и Илон Маск

Этот текст написан инженером-ракетостроителем, который не один десяток лет посвятил работе на «РКЦ Прогресс». Это предприятие производит и модернизирует одну из самых известных и востребованных в мире ракет – «Союз». Эта ракета исторически развивается от легендарной Р-7, сконструированной под руководством Сергея Королёва, и запустившей первый спутник, первого человека, первые автоматические межпланетные станции… Ниже будет много букв об уникальности конструкции ракеты, о секретах её успеха, об особенностях технологии производства, и о том, чему у советских инженеров научился Илон Маск.
_________________________________

В различных книгах, в СМИ, в интернет-обсуждениях, в личном общении среди людей, причастных к космонавтике и просто интересующихся этой темой, уже много лет идут баталии вокруг знаменитого детища советской космонавтики, ракеты Р-7 и ее потомков. Одни говорят, что это – чудо техники, которое благодаря своему совершенству не устарело за 60 с лишним лет. Другие – что это анахронизм, место которому в музее и на свалке. Еще говорят, что последние издания «Союза» — это совсем новая ракета, у которой от «семерки» остался лишь внешний вид. В таких обсуждениях много политических моментов. Давайте спокойно разберемся в вопросе с точки зрения инженера.

Начнем прямо с ходячих заблуждений. У людей далеких от ракетной техники есть некий стереотип, заложенный еще знаменитым художественным фильмом «Укрощение огня», они считают, что параллельная схема расположения ступеней («пакет») была каким-то открытием Королева и она была лучше, чем последовательная (тандем). На самом деле с точки зрения баллистики – а любое проектирование ракет начинается с баллистических расчетов – пакет априори хуже тандема. Почему? При последовательном расположении ступеней после отделения первой ступени [«боковушки» «Союз» и есть первая ступень – Прим. Zelenyikot] вторая представляет собой полноценную ракету с полными баками, а при пакетной схеме после отделения первой ступени вторая ступень имеет частично опустошенные топливные баки. Можно показать с помощью формулы Циолковского, что это однозначный проигрыш, но и на уровне здравого смысла ясно, что ракете приходится нести лишний вес уже частично опустевших баков.

Так почему же Королев выбрал пакет? По двум причинам. Во-первых, чтоб обеспечить потребную стартовую тяговооруженность, имевшимися и разрабатываемыми на тот момент двигателями, нужно было бы установить на 1-ю ступень примерно такое же количество двигателей, что стоят сейчас на 1-й и 2-й ступенях, что потребовало бы появления еще одного двигателя для второй ступени, серьезного увеличения диаметра первой ступени, что, в свою очередь, повлекло бы за собой невозможность транспортирования её железнодорожным транспортом либо увеличения количества стыков и общего усложнения ракеты. При этом не забываем, что Р-7 создавалась как боевая ракета и она должна была перевозиться ж/д транспортом без ограничений. А во-вторых, и главных, в то время еще не было опыта запуска ЖРД в полете, наземная же система зажигания была (и есть) очень проста и надежна.

Так вынужденно появилась нынешняя, привычная для телезрителей схема.

Часто в дискуссиях выдвигается и такой тезис: всё-то в СССР делали для военных, а потом уже приспосабливали для мирных целей. Ну, во-первых, ничего плохого в условиях ограниченных ресурсов в таком подходе нет. Во-вторых, как боевая ракета Р-7 была очень плоха, её защищенность в условиях войны была крайне низка, а время подготовки к пуску из постоянной боеготовности не позволяло произвести ответный запуск в случае внезапного нападения. Просто в тот момент необходимо было иметь хоть что-то немедленно, чем что-то лучшее, но на несколько лет позже. Этих нескольких лет могло и не быть. Мы никогда не узнаем, имел ли в виду Королёв при выборе схемы Р-7 будущее космическое применение его ракеты или нет. Однако он выполнил задание Родины и создал средство доставки термоядерного заряда на территорию потенциального противника.

Если мы посмотрим на остальные ракеты-носители в стране и в мире, то с удивлением обнаружим, что РН семейства «Союз» — уникальны, хотя использование «пакетной» схемы совсем не редкость в ракетостроении.

И так, вынужденно выбрав столь неоптимальную схему, разработчики столкнулись с кучей проблем. Если б они пошли традиционным путем и поставили Р-7 на стартовый стол, то на центральный блок пакета пришлась бы огромная сжимающая нагрузка от веса обеих ступеней (всех 5-и блоков). А тонкостенные оболочки крайне плохо работают на сжатие. Чтоб выдержать эти нагрузки пришлось бы либо сильно увеличить толщину стенок несущих баков, а следовательно их вес, либо увеличить давление наддува баков, что при диаметре баков порядка 3 м опять потребовало бы сильно увеличить толщину стенок и вес конструкции. Кроме того сильно усложнилось бы ветровое крепление ракеты. Поэтому сначала проектанты решили установить ракету на 4 стартовых стола. Однако при этом система установки ракеты получалась крайне сложной. В результате этот клубок противоречий удалось блестяще разрешить совершенно оригинальным способом.

Ракету не поставили, а подвесили! Причем за тот же силовой пояс, который воспринимал в полете нагрузки от боковых блоков. БОльшая часть центрального блока оказалась не сжата, а растянута. Боковые блоки тоже оказались подвешены и растянуты. Заодно была решена и проблема ветрового крепления ракеты, т.к. место подвески оказалось выше центра тяжести. Кстати, обратите внимание на полузаглубленное положение ракеты на стартовом устройстве. Этим расположением «убивалось сразу несколько зайцев».

Уменьшалась ветровая нагрузка на нижнюю, самую «парусящую» часть корпуса, что исключило возможность резонансного раскачивания ракеты от порывов ветра. Несколько повышалась защищенность ракеты от нападения, хотя и несущественно. Уменьшалась высота удерживающих мачт, кабель-мачты, ферм обслуживания. Кроме того уменьшалось время воздействия струй газа, истекающих из сопел двигателей на площадку вокруг ракеты – во время зажигания, выхода двигателей на режим и первые 10 метров подъема ракеты пламя двигателей бьет только в газоотводный желоб.

Освобождение ракеты при старте от удерживающей конструкции, вообще, решено просто гениально. Силовое кольцо удерживающей конструкции состоит из 4-х сегментов, которые замыкаются в кольцо под воздействием веса самой ракеты и крепятся к коромыслам, имеющим с противоположного конца грузы-противовесы. Как только тяга двигателей ракеты уравновешивает силу тяжести ракеты, коромысла под действием противовесов поворачиваются вокруг своих осей вращения, разрывают силовое кольцо и уводятся в стороны! Блестящее решение. Как говорят настоящие проектанты: «Самая лучшая система – система, которой нет, но она работает». Говорят, что американские специалисты, впервые побывавшие на нашем полигоне во время подготовки к полету «Союз-Аполлон», были просто в восхищении, увидев устройство стартовой позиции «Союзов».

Столь же оригинально и просто решена проблема безударного отделения боковых блоков в полете. Сначала рвутся нижние связи ББ с ЦБ, при этом момент вращения, имеющийся за счет небольшого эксцентриситета вектора остаточной тяги относительно верхних узлов подвески, начинает разворачивать боковые блоки относительно верхних узлов крепления в стороны.

Повернувшись на некоторый угол, верхний узел подвески получает свободу движения вниз, а так как тяга боковушек упала, а центрального блока – нет, ББ начинают двигаться вниз относительно ЦБ. На верхушке ББ освобождается поджатый шток (тот самый, который якобы погнули при сборке пакета аварийного пилотируемого «Союза») и срабатывает концевой выключатель, который дает сигнал системе управления.

Далее срабатывает пиротехническое устройство, открывающее крышку на баке окислителя в верхней части ББ. Струя газа из наддутого бака, действуя как небольшой реактивный двигатель, отбрасывает верхнюю часть ББ от ЦБ. Нижняя часть ББ и так уже с некоторой скоростью удаляется от ЦБ, и таким образом ББ вращаясь вокруг своей нижней точки и двигаясь радиально, безударно уходит от ЦБ. Постольку поскольку отсечка тяги ДУ по команде СУ происходит одновременно на всех 4-х ББ, то и отделение «боковушек» происходит строго синхронно, что мы и видим, наблюдая при пуске в ясную погоду отделение 1-й ступени. Еще лучше это стало видно сейчас на кадрах видеосъемки с борта РН.

Насколько надежна эта система говорит тот факт, что из почти 2 тысяч пусков только при двух из них произошла рассинхронизация отделения, приведшая к аварии.

Как видим, разработка ракеты проходила в условиях очень жестких ограничений не только по времени, но и чисто технических. В результате великолепной изобретательности разработчиков и возникло это уникальное произведение инженерного искусства.

Как боевая ракета, Р-7 потеряла актуальность почти сразу по принятию на вооружение, как только у американцев появились МБР «Атлас» и им стало известно местоположение полигона Тюратам. Имея 2-х суточную готовность к пуску из постоянной боевой готовности и практически полную беззащитность от поражающих факторов взрыва ядерного боеприпаса (даже на максимальном по КВО МБР США удалении от стартовой позиции), шанс произвести пуск Р-7 был только в случае не менее 2-х суточного противостояния СССР и США в состоянии полной боеготовности. А вот применение Р-7 и ракет на её базе в качестве ракет-носителей космических аппаратов оказалось очень востребованным. Ни одна из отечественных или американских ракет вплоть до середины 60-х годов не была способна выводить на околоземную орбиту столь большой полезный груз.

Попутно отмечу, что и США, и КНР, да и большинство других стран, самостоятельно запустивших спутники, разрабатывали свои первые РН на базе боевых баллистических ракет. РН «Атлас-Центавр» создана на базе МБР «Атлас», РН семейства «Титан-2» и «Титан-3» — на базе МБР «Титан». Было бы просто глупо не воспользоваться имеющимися разработками.

Поражают темпы разработки Р-7. В мае 1954 года было принято постановление ЦК КПСС и СМ СССР о начале разработки ракеты, в ноябре того же года принят эскизный проект, в 1956 г. изготовленные первые ракетные блоки, огневые испытания отдельных блоков начались в августе того же года, а ОИ ракеты в сборе – в феврале 1957-го! Первая ракета поступила на полигон в декабре 1956 г., первый пуск был произведен 15 мая 1957, а первый успешный запуск – 21 августа того же года! Я думаю, что сейчас 3 года шло бы только согласование Постановления. Интересен вопрос: каким образом удавалось обеспечить такие темпы? Ну, помимо высокой квалификации исполнителей и руководителей, обычно говорят о высокой мотивированности всех участников процесса. Главным фактором, конечно, была гораздо меньшая забюрократизированность всей системы. Еще хотелось бы отметить один малоизвестный, но важный фактор, снижающий трудозатраты и ускоряющий разработку. Мне приходилось работать с чертежами разработки 1955-56 г.г. И что бросилось в глаза? Примитивность чертежей. Чертежи не предназначались «для дураков», не «разжевывались» вещи очевидные квалифицированному рабочему. Встречаются и откровенные ошибки, которые тут же исправлены извещениями. Особенно это характерно для «одноразовых» чертежей оснастки. Какой смысл доводить до совершенства чертеж, который, скорее всего, после изготовления единичного экземпляра детали, узла или агрегата больше никому не понадобится? В моем случае чертежи понадобились только через 50 лет! И то – в качестве прототипа. Отступая немного в сторону, скажу, что довелось мне держать в руках и чертежи выпуска военных лет — деталей Ил-2.В сравнении с современными чертежами они – очень просты. Не удивительно, что их выпуск доверялся простым чертежникам, максимум – техникам. Сейчас любую примитивную деталь рисует дипломированный инженер.

Возвращаясь к критике РН «Союз». Серьезным недостатком является большая трудоемкость её подготовки к пуску. Но странно предъявлять к ракете, спроектированной 65 лет назад такие претензии. Существующая схема ракеты исключает возможность значительной автоматизации работ с ней даже при глубокой модернизации.

Так чем же, несмотря на очевидные недостатки, объясняется столь долгая и успешная эксплуатация РН этого семейства? Если ответить в трёх словах, то ответ будет: Так сложились обстоятельства. Какие же это обстоятельства?

Во-первых, от добра добра не ищут. Первые лет 10 эксплуатации Семерка и ее модификации практически полностью отвечала потребностям нашей космонавтики. Величина её полезной нагрузки позволяла осуществлять и пилотируемую программу, опережая при этом США, и запуск спутников фоторазведки. О последних скажем особо. В силу несовершенства тогдашней аппаратуры, для удовлетворения потребностей обороны было необходимо запускать спутники фоторазведки каждые 2 недели.

Более подробно об этом надо рассказывать в отдельной статье. В результате уже к середине 60-х годов возникла потребность изготавливать 50-60 штук РН типа «Восток-Восход-Союз» ежегодно. Изготовление Р-7 в 1958 году было поручено авиационному заводу №1, одному из лучших авиазаводов страны. Он имел огромный опыт освоения серийного и даже массового производства совершенно различных самолетов в кратчайшие сроки. И тут завод не подкачал – нужные темпы выпуска РН были освоены. И это при её постоянных модернизациях и притом, что для завода это была задача второстепенная. Параллельно ей завод прилагал огромные усилия по выпуску и освоению все новых и новых КА фоторазведки, освоению выпуска гигантских РН Н-1 и «Энергия»!

Так какую же роль КА фоторазведки сыграли в долгожительстве РН «Союз»? Наличие большого и стабильного спроса на запуски «семёрки» позволило заводу и КБ довести до совершенства и конструкцию РН и технологию её изготовления. Мало того, и бОльшая часть полезных нагрузок для РН разрабатывалась и изготавливалась в том же КБ и на том же заводе, что и РН, что сильно упрощало жизнь и заводчанам и конструкторам, которые, к тому же, располагались на одной территории. И это – второе обстоятельство, продлившее жизнь семерки. Действительно, имея отлаженное и относительно дешевое производство РН, десять раз подумаешь прежде, чем его закроешь, чтоб начать выпуск новой, пусть и лучшей, но еще не освоенной ракеты. А лишних ресурсов у страны, как мы помним, никогда не было. Поэтому работы по созданию новой ракеты-носителя, долженствующей заменить семерку, начались лишь в середине 70-х. Сделано это было, на мой взгляд, очень разумно.

Разрабатывать и изготавливать новую РН поручили Днепропетровску, имевшему большой опыт разработки современных боевых ракет. При этом «убивалось сразу несколько зайцев»: новая РН имела высокую степень автоматизации предстартового обслуживания, (как у боевых ракет), что удешевляло обслуживание и делало его более безопасным; имела всего две ступени, что в перспективе должно было сделать ее изготовление дешевле семерки; первая ступень ракеты должна была стать боковым блоком РН «Энергия». Называлась эта ракета 11К77или «Зенит». Однако разработка её затянулась. Полноценно она залетала лишь во второй половине 80-х. Я слышал, что в конце 1980-х руководству ЦСКБ и завода «Прогресс» (разработчикам и изготовителям РН «Союз») предложили взять себе производство 77-го изделия, но они отказались. Уверен, что не случись Перестройки и последующей гибели СССР, выпуск «Союзов» в 90-х был бы прекращен, а рабочей лошадкой советской космонавтики стал бы «Зенит», в независимости от того, где его производство было бы размещено – в Куйбышеве или в Днепропетровске. А в реальности, при фактическом отсутствии альтернативы в виде «Зенита», оставшегося за границей нового государства, и при наличии отлаженного производства, РН «Союз» оказалась очень востребованной на международном рынке запусков. Ракета – надежная, производство и запуск ее по западным меркам – крайне дешевое, политические ограничения на ее использование со стороны Запада – частично сняты, так почему бы и не воспользоваться? А для завода и КБ – спасение в условиях фактического прекращения финансирования со стороны нового государства. Какие уж тут новые разработки!? Выжить бы. Вот вам и третья причина долгожительства легендарной ракеты.

Четвертой причиной долгожительства можно считать непрерывную модернизацию ракеты, которая привела к значительному росту её полезной нагрузки.

Есть еще один фактор, не относящийся собственно к ракете, но сильно портивший характеристики РН на базе Р-7. Это – география. СССР – во-первых, страна сильно удаленная от экватора, а во-вторых, континентальная, несмотря на обилие морей омывающих ее берега. Поэтому для запуска КА на экваториальные орбиты приходится тратить большую часть массы полезной нагрузки на разворот плоскости орбиты. Это – крайне энергозатратное мероприятие. Для примера можно сказать, что 20-тонная РН «Протон» выводит на геостационарную орбиту примерно такую же массу ПН, что и «Союз» при старте с экватора, и меньше, чем на траекторию полета к Луне! Мало того и полигон Тюратам (Байконур) и плесецкий полигон имеют весьма жесткие ограничения и по азимутам пуска, и по районам падения первых ступеней, что еще существенно уменьшает выводимую ПН. Для сравнения возьмем Восточный и Западный полигоны США. Восточный почти идеально подходит для запусков на орбиты с малым наклонением, а Западный – для полярных орбит. Именно поэтому полигон во Французской Гвиане является практически идеальным местом для запусков КА на экваториальные орбиты, что и привело в результате к строительству там стартового комплекса и технического комплекса для «Союзов».

Кстати, вот еще один минус «семерки», оказавшийся одновременно и плюсом. Многодвигательность! Сколько было «пролито слез» экспертами по поводу того обстоятельства, что на ракете Н-1, в силу отсутствия ЖРД сравнимого по тяге с американским F-1, пришлось установить аж 30 одинаковых двигателей. Это обстоятельство выставляется, чуть ли не главной причиной неудачи с разработкой указанной РН. Однако это не помешало Илону Маску ставить на своих успешных ракетах связки из многих одинаковых двигателей. На «семерке» и всех последующих модификациях РН этого семейства на первой-второй ступенях стоят формально два типа ЖРД: РД-107 и РД-108, но фактически это один двигатель, разница между ними заключается лишь в количестве рулевых камер, на РД-107 их две, а на РД-108, что устанавливается на центральном блоке – 4. На каждом блоке стоит по одному двигателю. Т.е. фактически на «пакете» стоит пять одинаковых 4-х камерных ЖРД с 12 рулевыми камерами. Т.е. на каждую ракету надо изготовить 20 больших одинаковых камер сгорания, 12 одинаковых маленьких КС и 5 одинаковых турбонасосных агрегата (ТНА). С одной стороны большое количество изделий на одну ракету удорожает производство и снижает надежность – чисто в силу увеличения количества. С другой стороны – повышает серийность выпуска, что в свою очередь удешевляет производство и повышает надежность. Вот такие подтверждения философских законов единства и борьбы противоположностей и перехода количества в качество.

При выпуске 60 шт. РН в год завод, выпускающий ЖРД для него, выпускал ежегодно по 300 практически однотипных ЖРД, т.е. меньше, чем 1 шт. в сутки, а если считать камеры сгорания, то вообще, 1200 шт. в год, 4 в день! Маск гордится производством одной камеры сгорания в 2 дня.

В отношении Маска. Он правильно понял опыт советского ракетостроения. Чтоб иметь дешевую и надежную ракету, её надо запускать часто и изготавливать, соответственно, большими сериями. Причем желательно иметь много запусков своей собственной полезной нагрузки. И мы видим массовые запуски спутников Starlink! И еще, зачастую наземная отработка оказывается дольше и дороже лётной. Мало того! Она в принципе не может выявить все возможные проблемы, т.к. условия полета в полном объеме на земле не воспроизводимы. И кроме того, обычно процентов 60 сложностей и неисправностей при наземной отработке, приходится не на само изделие, а на испытательное оборудование и его связи с изделием. Один неудачный запуск может дать больше полезной информации конструкторам и проектантам, чем месяцы и годы наземной отработки.

Возьмем для примера испытания РН Н-1. Вот, что пишет о них Черток Б.Е. «Городами стреляем!» Т.е. пеняет на страшную дороговизну таких испытательных запусков. У Королёва не было ни времени ни средств для создания дорогостоящего и огромного испытательного оборудования и он вынужденно шел традиционным для раннего советского ракетостроения путем натурных испытаний. Хотя спорный вопрос: что в итоге оказалось бы дороже – 4 неудачных запуска или сооружение грандиозного стенда для испытаний первой ступени Н-1 в сборе. Мало того, из 4 отказов минимум один – закрутка по каналу крена – а скорее 3 из 4, точно не был бы выявлен в стенде. И что мы наблюдаем у Илона Маска? Десяток огромных (9 м в диаметре !) и дорогущих прототипов Старшипов разбиваются при летных испытаниях прежде, чем достигается успех.

Причем успех чисто локальный, абсолютно неизвестно как поведет себя Starship в реальном полете, который обещают произвести
в 2022 г.

Однако есть и существенное отличие космической стратегии Маска от советской. Это – ставка на многоразовость. Идея многоразовости в корне противоречит идее массового производства. Ведь чем чаще запускается одна и та же ступень, тем меньше их надо изготовить. По предварительным итогам 2021 года только в одном из пусков Falcon 9 использовалась новая первая ступень, в остальных 30 пусках повторно использовались уже летавшие экземпляры. Производя по одной ступени в год, не обеспечишь дешевизну изготовления. Ракетный завод – очень серьезное предприятие, требующее многочисленного и дорогостоящего станочного парка. Кроме того для производства конкретной ракеты требуется изготовить самим или заказать на стороне многочисленную специальную оснастку, которую нигде, кроме изготовления конкретной ракеты, не используешь. Ну и, наконец, квалифицированные рабочие и инженерные кадры. Это совсем не землекопы или укладчики асфальта, их не уволишь на год, чтоб при необходимости снова нанять на месяц работы. Квалификация должна постоянно поддерживаться выполнением соответствующей работы. Если человек выполняет ту или иную операцию не регулярно, а от случая к случаю, то надо ждать от него беды. Все мы помним аварию «Протона», когда датчик ускорений был неправильно установлен малоопытным сборщиком, вопреки наличию «защиты от дурака».

В США это так же прекрасно понимают. Так в конце 60-х подкомиссия Сената по космонавтике с обеспокоенностью писала, что при снижении темпа выпуска РН «Сатурн-5» ниже критического уровня можно ожидать увеличение вероятности аварий по вине производства. В общем содержание оборудования обходится практически одинаково, что при производстве 30 ракет в год, что при производстве одной. Что соответственно ложится на конечную стоимость ракеты. Зарплаты персоналу завода так же надо платить вне зависимости от загрузки, иначе он просто разбежится. Т.о. в самом грубом приближении себестоимость выпуска одной ракеты обратно пропорциональна годовой программе её выпуска. Это уже не говоря о существенном усложнении и удорожании многоразовой ракеты по сравнению с одноразовой, а так же достаточно существенном снижении массы выводимой полезной нагрузки. Кстати, это недостаток многоразовых РН SpaceX частично обратил в достоинство. Ведь далеко не при всех пусках РН загружается на 100%. В случае многоразовой РН вместо балласта возможно варьировать массу выводимой ПН, выбирая одноразовый или многоразовый вариант. А из многоразовых выбирать возвращение на плавучую платформу (бОльшая ПН) или возвращение в район стартовой позиции (меньшая ПН). Правда при этом усложняется логистика и удорожается эксплуатация.

Как же совместить многоразовость и большую программу выпуска ракет заводом? Тут возможны два варианта. Самый очевидный – на порядок увеличить количество запусков в год, Т.е. производить не 30, а 300 запусков в год, тогда при 10-кратном использовании ступеней производству надо будет выпускать 30 многоразовых ступеней в год, что всего в два раза меньше, чем выпускал советский завод «Прогресс» в СССР. Такая программа выпуска сможет обеспечить приемлемый уровень затрат на единицу продукции и хорошее качество изготовления. Где взять такое количество полезных нагрузок? Самим их изготавливать и запускать. Запуски для создания многотысячной группировки Starlink – путь в нужном направлении.

Второй вариант менее очевиден. Сразу выпустить необходимое количество ракет на много лет вперед, а потом закрыть производство. Например, если планировать 50 запусков каждый год на протяжении 10 лет, то при кратности использования ступеней равной 10 потребуется изготовить 50 ракет. В таком случае можно оптимизировать производственные мощности таким образом, что вложения окупятся за планируемый срок выпуска. Например, изготавливать ежегодно по 20 ракет и через 2,5 года определиться – закрывать производство или продолжить выпуск, если стало понятно, что возник дополнительный спрос. Примерно так действуют нефтяники, планируя разработку небольших месторождений. Например, открыто небольшое месторождение объемом 1 млн. тонн. Можно установить мощности, которые выкачают его за 1 год, но куда потом девать практически новое оборудование и инфраструктуру? Поэтому они устанавливают такие мощности, которые амортизируются к концу добычи. Но этот вариант в условиях неопределенности рынка запуска полезных нагрузок, достаточно рискован.

Морин И.А.
_____________________________________
Публикуется с разрешения автора. В оформлении использованы фото и видеоматериалы Роскосмоса, ESA и SpaceX.

История ракет — 20 век и далее

История ракет — 20 век и далее

20-й
Век и дальше

В
1898 г., русский школьный учитель, Константин Циолковский (1857-1935),
предложил идею освоения космоса ракетами. В 1903 году Циолковский опубликовал
отчет под названием Исследование Вселенной с помощью ракетных двигателей
Транспортные средства . В нем он предложил использовать жидкие ракетные топлива.
для ракет с целью достижения большей дальности. Циолковский утверждал, что
скорость и дальность полета ракеты ограничивались только скоростью истечения убегающего
газы. За свои идеи, тщательное исследование и великое видение Циолковский
был назван Отец современной космонавтики .

В начале 20 века,
американец, Роберт Х. Годдард (1882-1945), провел множество
практических опытов в ракетостроении. Его интересовал способ достижения
на больших высотах, чем это было возможно для воздушных шаров легче воздуха. Он опубликовал
брошюра 1919 года под названием «Метод достижения экстремальных высот » ,
математический анализ того, что сегодня называется метеорологическое зондирование
ракета .

Годдарда
самые ранние эксперименты были с твердотопливными ракетами. В 1915 году он начал
попробовать различные виды твердого топлива и измерить скорость выхлопа
горящие газы. Работая над твердотопливными ракетами, Годдард убедился
что эффективность ракеты будет значительно повышена при использовании жидкого топлива. Никто
когда-либо строил успешную ракету на жидком топливе. Делать это было намного
сложнее, чем строить твердотопливные ракеты. топливный и кислородный баки,
нужны турбины и камеры сгорания.

Несмотря на многочисленные трудности,
Годдард совершил первый успешный полет на жидкостном топливе .
ракеты 16 марта 1926 года. Заправляемая жидким кислородом и бензином, ракета летела
всего за две с половиной секунды, поднялся на 12,5 метра и приземлился на расстоянии 56 метров.
на капустной грядке. По нынешним меркам полет был невпечатляющим. Но, как
первый полет самолета с двигателем, совершенный братьями Райт в 1903 году, Годдард
бензиновая ракета была предвестником совершенно новой эры в ракетных полетах. Годдарда
эксперименты с жидкостными ракетами продолжались много лет. Его ракеты
стал больше и взлетел выше. Он разработал система гироскопов для полета
управления и отсек полезной нагрузки для научных приборов .
Парашютные спасательные системы использовались для возврата ракет.
и инструменты безопасно. Годдарда за его достижения называют Отцом .
современной ракетной техники .

В
1923 г. третий великий пионер космоса, Герман Оберт (1894-1989),
опубликовал книгу под названием Ракета в межпланетное пространство .
Его книга стала настольной книгой для ракетчиков-любителей. Благодаря работе Оберта,
по всему миру возникло множество небольших ракетных обществ. В Германии формирование
одного из таких обществ, Verein fur Raumschiffahrt ( Society
для Space Travel ), привело к разработке ракеты Фау-2 ,
который использовался против Лондона во время Второй мировой войны. В 1937 году Оберт и др.
Немецкие инженеры и ученые собрались в Пенемюнде на берегу
Балтийское море. Там была построена и запущена самая совершенная ракета своего времени.
направление Вернер фон Браун . За свои достижения Оберт
был назван Отцом космического полета .

Ракета Фау-2
(в Германии называлась А-4) была небольшой по сравнению с сегодняшними ракетами. Он достиг
свою большую тягу за счет сжигания смеси жидкого кислорода и спирта и смог
бросить однотонную боеголовку на 50 миль в высоту и на сотни миль вниз.
фюзеляж ракеты был сделан из тонкого разборного металла, который надувался
подача топлива в баки. После запуска Фау-2 был грозным
оружие, способное уничтожить целые городские кварталы.

К счастью
для Лондона и союзных войск Фау-2 появился слишком поздно в войне, чтобы что-то изменить
его результат. Тем не менее к концу войны немецкие ракетчики и инженеры
уже разрабатывал планы создания передовых ракет, способных преодолеть Атлантический океан.
Океан и посадка в США. Эти ракеты имели бы крылья
верхние ступени, но очень малая грузоподъемность.

С падением
Германии многие неиспользованные ракеты Фау-2 и их компоненты были захвачены союзниками.
Многие немецкие ученые-ракетчики приехали в Соединенные Штаты, а другие уехали в
Советский Союз. Немецкие ученые, приехавшие в США, в том числе Вернер
фон Браун и Георг фон Тизенхаузен были поражены успехами Годдарда.
сделанный.

Оба Соединенных
Штаты и Советский Союз осознали потенциал ракеты как военного
оружие и начали различные экспериментальные программы. Сайт в США, выбранный
фон Браун и его коллеги, был Redstone Arsenal в Хантсвилле, Алабама,
место, на котором сегодня стоит Центр космических полетов НАСА имени Маршалла. Соединенные Штаты
впервые начал развивать свою космическую программу с высотным зондированием атмосферы
ракеты, одна из первых идей Годдарда. Позже появились различные средне- и дальнобойные
были созданы межконтинентальные баллистические ракеты. Они стали отправной точкой
пункт космической программы США. Ракеты типа Редстоун ,
Atlas и Titan в конечном итоге запустят космонавтов.
в космос.

Вкл.
4 октября 1957 года мир был ошеломлен известием о первом в мире космическом аппарате, выходящем на околоземную орбиту.
искусственный спутник, запущенный Советским Союзом. Звонил Sputnik I ,
спутник был размером с баскетбольный мяч, весил около 183 фунтов,
и имел орбитальный период 98 минут. Это был первый успешный вход в
гонка за космос между двумя сверхдержавами. Менее чем через месяц,
Советы последовали за запуском спутника 2 с собакой по кличке 9.0005 Лайка
на борту. Лайка провела в космосе семь дней, прежде чем ее усыпили.
запас кислорода закончился.

Несколько месяцев
после первого спутника Соединенные Штаты последовали за Советским Союзом с
собственный спутник. Explorer I был выпущен армией США.
31 января 1958 года. В октябре того же года Соединенные Штаты официально организовали
свою космическую программу, создав Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства
( НАСА ). НАСА — гражданское агентство, целью которого является мирное
освоение космоса на благо всего человечества.

Советский Союз лидировал в космической гонке в первые дни. Но США упорствовали и
постепенно захватила лидерство, кульминацией чего стала программа «Аполлон» на Луну,
которые захватили воображение всего мира. Кто может забыть Джона Ф. Кеннеди
смелое заявление: «Мы полетим на Луну в течение этого десятилетия…
потому что это легко, а потому что это сложно…» или слова Нила Армстронга
с Лунной Базы Спокойствия: «Это один маленький шаг для человека, один гигантский
прыжок для человечества».

Аполлон
Moon Rocket — одна из самых больших ракет, когда-либо предназначенных для полетов в космос. стоя
высотой с небоскреб, машина буквально заставляла землю трястись под ногами
когда двигатели были запущены для взлета. И они зажгли небеса, как Аполлон
поднялся с мыса Канаверал на околоземную орбиту. Америка продолжила полеты
на Луну в течение десятилетия 1970-х годов, развивая с каждой новой миссией
новая уверенность и новые технологии. Пожалуй, самая зрелищная миссия из всех
был Аполлон-13, которого всегда будут помнить за выдающееся мужество и настойчивость
продемонстрировали все, кто участвовал в том, что могло бы стать одним из самых мрачных часов Америки.

Ракеты есть
использовался для запуска многих пилотируемых миссий после Аполлона, включая Skylab, и
множество миссий STS. Ракеты также запускали беспилотные военные спутники.
спутники связи, метеорологические спутники, спутники наблюдения Земли,
планетарные космические аппараты, планетоходы, космический телескоп Хаббл,
и так далее.

С самого раннего
дни открытий и экспериментов, ракеты произошли от простого пороха
устройства в гигантские транспортные средства, способные путешествовать в межпланетное пространство.
Было бы интересно услышать мысли тех самых первых пионеров ракетостроения,
своими огненными стрелами и вращающимися сферами, если бы их можно было провести сквозь
время и показали, к чему привели их открытия.

Ракеты
определенно открыли важную дверь во вселенную.

Закрыть
Окно

Инженер использует древнее искусство оригами для решения очень современной аэрокосмической задачи

Фернанда Феррейра, Стэнфордский университет

Звездная тень может помочь найти экзопланеты, но попасть внутрь ракеты — непростая задача. Кредит: Манан Арья

Если вы когда-либо делали журавлика из бумаги оригами, используя складки и складки, чтобы превратить квадратный лист крафт-бумаги в изящную птицу с длинной шеей, может показаться странным, что те же самые методы складывания используются для разработки структур, используемых в одном из самых передовых направлений современной техники: космические полеты.

Тем не менее, аэрокосмические инженеры обратились к тысячелетнему искусству оригами, чтобы решить серьезную загадку: как встроить массивные конструкции, такие как щиты, которые могут блокировать свет звезд, и паруса, которые могут помочь приводить в движение космические корабли, в значительно меньшие ракеты, которые доставляют эти конструкции в пространство? Хотя размеры каждой из этих конструкций различаются, представьте, что вы пытаетесь поместить пляжный зонт диаметром 28 метров (длина баскетбольной площадки) в минивэн.

Выяснение ответа на этот вопрос имеет решающее значение для обеспечения будущих космических миссий, которые однажды будут искать экзопланеты, подобные Земле, и космические корабли, которые будут лучше измерять систему Земли с помощью радиолокационного дистанционного зондирования. И в авангарде использования принципов оригами для поиска возможных решений этой проблемы находится аэрокосмический инженер Манан Арья.

«Когда мы говорим о больших пластинчатых структурах, таких как солнечные батареи или отражатели антенн для космических кораблей, они выглядят как большие тонкие листы материала», — говорит Арья, руководитель Стэнфордской лаборатории морфинга космических структур. «Поэтому вполне естественно думать: «О, мы делаем складки, мы делаем складки повсюду».

За последние 30 лет математики и физики все больше интересовались оригами, — говорит Арья, — особенно понимая механику складывания тонких материалов. , листовые материалы. Оригами, объясняет Арья, поднимает много вопросов и проблем, связанных с геометрией, схемами складывания и механизмами складывания и комкания листовых материалов, таких как бумага. «Ряд этих проблем был решен математиками и физиками, и ряд этих заманчивых проблем так и не решен».

Не только они испытали очарование оригами. «За последние 20 лет или около того, — говорит он, — появляется все больше и больше инженеров, которые берут все эти виды математических и физических идей и адаптируют их для использования в производстве продуктов».

Арья начал работать в этой области, будучи студентом Университета Торонто, когда он работал над солнечными парусами, которые представляют собой очень тонкие паруса, использующие солнечное излучение для приведения в движение небольших космических кораблей, освобождая их от необходимости нести тяжелое топливо. Чтобы захватить как можно больше радиации, эти солнечные паруса имеют огромные размеры, до 20 на 20 метров, а сам космический корабль размером с буханку хлеба. «Очень быстро я обратился к проблеме, как упаковать эти паруса в космический корабль?» говорит Арья. «Это оказалось довольно интересной проблемой с точки зрения того, как мы это упаковываем, как мы это складываем, и именно так я попал в оригами».

Арья окончила Университет Торонто в 2011 году и получила докторскую степень. в 2016 году из Калифорнийского технологического института. Прежде чем прибыть в Стэнфорд в начале этого года, он проявил интерес к оригами в Лаборатории реактивного движения Калифорнийского технологического института. Находясь там, он разработал и испытал схемы складывания, вдохновленные оригами, чтобы помочь решить серьезную проблему в аэрокосмической технике: поиск экзопланет, похожих на Землю.

Поиск таких экзопланет является важной областью исследований в НАСА, но попытка найти эти планеты, по словам Арьи, «все равно что пытаться сфотографировать светлячка, парящего рядом с прожектором». Звезды, вокруг которых вращаются эти экзопланеты, в 1–10 миллиардов раз ярче самой планеты, поэтому даже самые мощные телескопы с трудом улавливают их относительно слабое свечение. (По словам Арьи, если посчитать, сфотографировать светлячка примерно в тысячу раз проще.)

Одним из возможных решений этой проблемы является создание устройства под названием звездная тень, которое представляет собой большой диск, создающий своего рода искусственное затмение, которое может подавлять звездный свет в 10 миллиардов раз, что позволяет ученым наконец увидеть экзопланеты, на которых они находятся. поиск. Модель Арьи для звездного абажура ярко-золотая и отражающая, со спиралью, разворачивающейся, как распустившийся цветок. В полностью развернутом состоянии звездный щит Арьи имеет диаметр 26 метров, что примерно равно длине баскетбольной площадки, и был спроектирован так, чтобы поместиться в цилиндр высотой около 2 метров и диаметром 2,5 метра.

Но каким бы элегантным и привлекательным он ни был, он говорит, что он еще не совсем готов к развертыванию. «Starshade не будет летать в своей текущей версии. Мы все еще активно разрабатываем технологии», — говорит Арья. Это связано с тем, объясняет он, что НАСА хочет, чтобы новые технологии находились на определенном уровне технологической готовности, или TRL, прежде чем они будут включены в космические миссии. Starshade находится между TRL4 и TRL5, а это означает, что ему нужны дополнительные испытания и анализ, прежде чем он достигнет TRL6, когда НАСА начинает подготовку к космической миссии.

Совсем недавно Арья увлеклась оригами, которое начинается не с простого листа бумаги, а скорее складывается из огромного листа капусты. «Это вычурно, на нем есть все эти гофры; вы никогда не сможете сгладить этот кусок капусты», — объясняет Арья. Гофры добавляют прочности и устойчивости конструкциям космических кораблей, что позволяет им выполнять дополнительные функции, такие как несущая способность, что невозможно при использовании тонких листовых материалов. Перед Арьей это ставит новые задачи: как применить правила оригами, разработанные для плоских листов бумаги, к вещам, которые не являются плоскими?

Сторонникам оригами это может показаться слишком большим. Традиционные поклонники этого искусства ожидают, что каждый рисунок оригами начинается с одного листа бумаги, без разрезов или склеивания нескольких листов бумаги вместе. Но когда Арья вступает в сферу упаковки космических структур, похожих на капусту, он понимает, что ему придется нарушить это кардинальное правило. «Мы инженеры, верно? Мы можем делать разрезы. Мы можем наклеить больше бумаги или сложить вместе несколько листов бумаги. И это приводит к интересному поведению, интересной механике, которая полезна для инженеров».

Действительно, по мере того, как правила изменяются и нарушаются, количество решений для преобразования космических структур увеличивается. «Пространство дизайна, — говорит Арья, — безгранично».

Узнать больше

Инженеры исследуют оригами для создания складного космического корабля

Предоставлено
Стэндфордский Университет

Цитата :
Инженер использует древнее искусство оригами для решения очень современной аэрокосмической задачи (20 июля 2022 г.)
получено 12 октября 2022 г.
с https://phys.org/news/2022-07-ancient-art-origami-modern-aerospace.html

Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.

аэрокосмическая техника | Британика

наноспутник

Посмотреть все СМИ

Ключевые люди:

Теодор фон Карман
Вернер фон Браун
Игорь Сикорский
Чарльз Старк Дрейпер
Роберт Годдард

Похожие темы:

инженерия
аэрокосмическая телеметрия

Просмотреть весь связанный контент →

Сводка

Прочтите краткий обзор этой темы

аэрокосмическая техника , также называемая авиационная техника, или космонавтика , область техники, связанная с проектированием, разработкой, строительством, испытанием и эксплуатацией транспортных средств, работающих в атмосфере Земли или в космическом пространстве. В 1958 году появилось первое определение аэрокосмической техники, рассматривающее атмосферу Земли и пространство над ней как единую область для создания летательных аппаратов. Сегодня более широкое аэрокосмическое определение обычно заменяет термины «авиационная техника» и «астронавтическая техника».

Конструкция летательного аппарата требует знания многих инженерных дисциплин. Редко когда один человек берет на себя всю задачу; вместо этого в большинстве компаний есть проектные группы, специализирующиеся на таких науках, как аэродинамика, силовые установки, проектирование конструкций, материалы, авионика, а также системы устойчивости и управления. Ни одна конструкция не может оптимизировать все эти науки, а существуют скомпрометированные конструкции, учитывающие технические характеристики автомобиля, доступные технологии и экономическую целесообразность.

История

Авиационная техника

Корни авиационной техники можно проследить до первых дней машиностроения, до концепций изобретателей и начальных исследований аэродинамики, раздела теоретической физики. Самые ранние эскизы летательных аппаратов были нарисованы Леонардо да Винчи, который предложил две идеи для поддержки. Первым был орнитоптер, летательный аппарат, который машет крыльями, имитируя полет птиц. Второй идеей был воздушный винт, предшественник вертолета. Пилотируемый полет был впервые осуществлен в 1783 году на воздушном шаре, спроектированном французскими братьями Жозефом-Мишелем и Жаком-Этьеном Монгольфье. Аэродинамика стала фактором полета на воздушном шаре, когда для движения вперед рассматривалась двигательная установка. Бенджамин Франклин был одним из первых, кто предложил такую ​​идею, которая привела к созданию дирижабля. Воздушный шар с механическим приводом изобрел француз Анри Гиффорд в 1852 г. Изобретение летательных аппаратов легче воздуха произошло независимо от развития самолетов. Прорыв в авиастроении произошел в 179 г.9, когда сэр Джордж Кейли, английский барон, нарисовал самолет с неподвижным крылом для подъемной силы, оперением (состоящим из горизонтального и вертикального оперения для устойчивости и управления) и отдельной силовой установкой. Поскольку разработки двигателей практически не существовало, Кейли обратился к планерам, построив первый успешный планер в 1849 году. Планерные полеты создали базу данных для аэродинамики и конструкции самолетов. Отто Лилиенталь, немецкий ученый, зафиксировал более 2000 полетов за пять лет, начиная с 189 г.1. За работой Лилиенталя последовал американский аэронавт Октав Шанют, друг американских братьев Орвилла и Уилбура Райт, отцов современных пилотируемых полетов.

После первого продолжительного полета летательного аппарата тяжелее воздуха в 1903 году братья Райт усовершенствовали свою конструкцию и в итоге продали самолеты армии США. Первый крупный толчок к развитию самолетов произошел во время Первой мировой войны, когда самолеты были спроектированы и построены для конкретных военных задач, включая атаку истребителей, бомбардировку и разведку. Конец войны ознаменовался упадком военных высокотехнологичных самолетов и подъемом гражданских воздушных перевозок. Многие достижения в гражданском секторе были связаны с технологиями, полученными при разработке военных и гоночных самолетов. Успешным военным проектом, который нашел множество применений в гражданских целях, была летающая лодка ВМС США Curtiss NC-4, оснащенная четырьмя двигателями V-12 Liberty мощностью 400 лошадиных сил. Однако путь в гражданской авиации проложили англичане в 1919 г.20 с 12-местным транспортом Handley-Page. Авиационный бум произошел после одиночного перелета Чарльза А. Линдберга через Атлантический океан в 1927 году. Достижения в области металлургии привели к улучшению отношения прочности к весу и, в сочетании с конструкцией монокока, позволили самолетам летать дальше и быстрее. Немец Хьюго Юнкерс построил первый цельнометаллический моноплан в 1910 году, но проект не был принят до 1933 года, когда на вооружение поступил Boeing 247-D. Двухмоторная конструкция последнего заложила основу современного воздушного транспорта.

Появление самолета с газотурбинным двигателем резко изменило авиатранспортную отрасль. Германия и Великобритания одновременно разрабатывали реактивный двигатель, но именно немецкий Heinkel He 178 совершил первый реактивный полет 27 августа 1939 года. служил до 1944 года, когда в строй вступил британский Gloster Meteor, а вскоре за ним последовал немецкий Me 262. Первым практичным американским реактивным самолетом был Lockheed F-80, который поступил на вооружение в 1945.

Коммерческие самолеты после Второй мировой войны продолжали использовать более экономичный винтовой двигатель. Эффективность реактивного двигателя была увеличена, и в 1949 году британский самолет de Havilland Comet открыл коммерческий реактивный транспортный полет. Однако у Comet возникли структурные неисправности, которые сократили количество рейсов, и только в 1958 году очень успешный реактивный транспортный самолет Boeing 707 начал беспосадочные трансатлантические полеты. В то время как в конструкциях гражданских самолетов используются самые новые технологические достижения, конфигурации транспортных самолетов и авиации общего назначения с 19 века изменились лишь незначительно.60. Из-за роста цен на топливо и оборудование при разработке гражданской авиации преобладала потребность в экономичной эксплуатации.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас

Технологические улучшения в двигателях, материалах, авионике, устойчивости и средствах управления позволили самолетам увеличиваться в размерах, перевозя больше грузов быстрее и на большие расстояния. Хотя самолеты становятся все более безопасными и эффективными, они также стали очень сложными. Сегодняшние коммерческие самолеты являются одними из самых сложных инженерных достижений современности.

Разрабатываются более компактные и экономичные авиалайнеры. Изучается использование газотурбинных двигателей в легкой авиации общего назначения и пригородных самолетах, а также более эффективных силовых установок, таких как концепция винтовентилятора. Используя сигналы спутниковой связи, бортовые микрокомпьютеры могут обеспечивать более точную навигацию транспортных средств и системы предотвращения столкновений. Цифровая электроника в сочетании с сервомеханизмами может повысить эффективность, обеспечивая активное повышение устойчивости систем управления. Новые композитные материалы, обеспечивающие большее снижение веса; недорогой одноместный, легкий, несертифицированный самолет, называемый сверхлегким; изучаются альтернативные виды топлива, такие как этанол, метанол, синтетическое топливо из сланцевых месторождений и угля, а также жидкий водород. Разрабатываются самолеты вертикального и укороченного взлета и посадки, которые могут садиться на взлетно-посадочные полосы в 10 раз меньшей длины. Гибридные транспортные средства, такие как конвертоплан Bell XV-15, уже сочетают в себе возможности вертикального полета и зависания вертолета со скоростью и эффективностью самолета. Хотя экологические ограничения и высокие эксплуатационные расходы ограничивают успех сверхзвукового гражданского транспорта, привлекательность сокращения времени в пути оправдывает изучение второго поколения сверхзвуковых самолетов.

Аэрокосмическая техника

Станьте свидетелем взлета X1-E из-под B-29 с авиабазы ​​Эдвардс, Калифорния

См. все видео к этой статье

Станьте свидетелем запуска самолета X-15 из-под базового корабля B-52 ВВС США все видео к этой статье

Использование ракетных двигателей для авиационных двигателей открыло авиационным инженерам новую область полетов. Роберт Х. Годдард, американец, разработал, построил и запустил первую успешную жидкостную ракету 16 марта 19 года. 26. Годдард доказал, что полет возможен на скоростях, превышающих скорость звука, и что ракеты могут работать в вакууме. Основной импульс развитию ракетостроения пришелся на 1938 год, когда американец Джеймс Харт Уайлд спроектировал, построил и испытал первый в США жидкостный ракетный двигатель с регенеративным охлаждением. В 1947 году ракетный двигатель Уайлда приводил в действие первый сверхзвуковой исследовательский самолет Bell X-1, которым управлял капитан ВВС США Чарльз Э. Йегер. Сверхзвуковой полет поставил перед авиационным инженером новые задачи в области двигателей, конструкций и материалов, высокоскоростной аэроупругости, а также трансзвуковой, сверхзвуковой и гиперзвуковой аэродинамики. Опыт, полученный в ходе испытаний Х-1, привел к созданию исследовательского ракетоплана Х-15, который за девять лет совершил около 200 полетов. X-15 создал обширную базу данных в околозвуковых и сверхзвуковых полетах (до пяти раз превышающих скорость звука) и предоставил важную информацию о верхних слоях атмосферы.

Конец 1950-х и 60-е годы отмечен периодом интенсивного развития космонавтики. В 1957 году СССР вывел на орбиту Спутник-1, первый в мире искусственный спутник, что положило начало гонке за освоение космоса с Соединенными Штатами. В 1961 году президент США Джон Ф. Кеннеди рекомендовал Конгрессу взять на себя задачу «высадить человека на Луну и благополучно вернуть его на Землю» к концу 1960-х годов. Это обязательство было выполнено 20 июля 1969 года, когда астронавты Нил А. Армстронг и Эдвин Э. Олдрин-младший высадились на Луне.

1970-е годы стали началом упадка пилотируемых космических полетов США. Исследование Луны сменилось беспилотными полетами к Юпитеру, Сатурну и другим планетам. Освоение космоса было перенаправлено с завоевания далеких планет на обеспечение лучшего понимания окружающей человека среды. Искусственные спутники предоставляют данные о географических образованиях, океанических и атмосферных движениях и всемирной связи. Частота космических полетов США в 1960-х и 70-х годах привела к разработке многоразового низкоорбитального космического челнока.